DE102004026525A1 - Method and device for the non-invasive determination of prominent structures of the human or animal body - Google Patents

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Abstract

In a method for the non-invasive determination of the position and orientation of prominent structures inside the body of a human being or an animal, wherein the body is irradiated with ultrasonic radiation in the area of the prominent structure by means of an ultrasonic head which emits ultrasound and receives ultrasound, the ultrasonic radiation reflected on the prominent structure is received, and an image corresponding to the travel time of the reflected radiation is represented on a display, in order to determine the position of the prominent structure in the body, it is proposed that the position and orientation of the ultrasonic head and of the body in the area of the prominent structure be determined by means of a navigation system with the assistance of marking elements fixed to the ultrasonic head and to the body, that a prominent structure be selected on the display, that the position and orientation of the prominent structure relative to the ultrasonic head be determined on the basis of the radiating direction of the ultrasonic head and the measured travel time of the ultrasonic radiation, and that the position and orientation of the prominent structure relative to the body be determined from the position and orientation of the ultrasonic head relative to the body.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur eingriffslosen Bestimmung der Lage und Orientierung markanter Strukturen im Inneren eines menschlichen oder tierischen Körpers, bei dem man den Körper im Bereich der markanten Struktur mittels eines Ultraschall aussendenden und Ultraschall empfangenden Ultraschallkopfes mit Ultraschallstrahlung bestrahlt, die an der markanten Struktur reflektierende Ultraschallstrahlung empfängt und eine der Laufzeit der reflektierten Strahlung entsprechende Abbildung auf einer Anzeige darstellt.The The invention relates to a method for the non-intrusive determination of Location and orientation of distinctive structures inside a human or animal body, where you get the body in the area of the striking structure by means of an ultrasound emitting and ultrasonic receiving ultrasound head with ultrasonic radiation irradiated, the ultrasound radiation reflecting on the distinctive structure receives and one of the duration of the reflected radiation corresponding Illustration on a display.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The The invention further relates to a device for carrying out this Process.

Um bestimmte markante Strukturen im Inneren eines Körpers zu bestimmen, beispielsweise bestimmte Knochenstrukturen, und deren genaue Lage und Orientierung relativ zum Körper festzustellen, ist es bisher notwendig, den Körper zu öffnen und im Inneren des Körpers diese Struktur mit einem Tastinstrument zu erfassen, dessen Lage und Orientierung relativ zum Körper beispielsweise über ein Navigationssystem bestimmt werden kann. Dadurch erhält man Auskunft über die Lage und gegebenenfalls Orientierung der markanten Strukturen relativ zum Körper.Around determine certain prominent structures inside a body, for example certain bone structures, and their exact location and orientation relative to the body To determine, it has been necessary to open the body and inside the body Capture structure with a stylus, its location and orientation relative to the body for example about a navigation system can be determined. This gives information about the Location and, where appropriate, orientation of the distinctive structures relative to the body.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß dazu eine Öffnung des Körpers notwendig ist, wenn man derartige Strukturen durch Weichgewebe hindurch ertastet, können sich Ungenauigkeiten einstellen.adversely is in this process that to it an opening of the body is necessary when passing such structures through soft tissue can feel inaccuracies occur.

Andererseits ist es bekannt, Körperstrukturen im Inneren des Körpers über Ultraschallstrahlung abzutasten. Bei bekannten Ultraschall-Abtastverfahren wird über einen Ultraschallkopf Ultraschallstrahlung in den Körper gerichtet, wird dort an markanten Strukturen reflektiert, und vom Ultraschallkopf wird die reflektierte Strahlung wieder aufgenommen. Aus der Laufzeit läßt sich der Abstand der Reflexionsflächen von dem Ultraschallkopf bestimmen, und aus der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes auch die Lage der markanten Strukturen. Insgesamt kann man auf diese Weise zwar die Form der markanten Strukturen erfassen und abbilden, erhält aber nicht genaue Angaben über Lage und Orientierung relativ zum Körper.on the other hand It is known body structures inside the body via ultrasonic radiation scan. In known ultrasound scanning methods, ultrasound radiation is transmitted via an ultrasound head in the body directed, is reflected there on distinctive structures, and of the Ultrasound head, the reflected radiation is resumed. From the term can be the distance of the reflection surfaces determine from the ultrasonic head, and from the beam direction of the Ultrasound head also the location of the distinctive structures. All in all In this way you can indeed take the form of the striking structures capture and map receives but not accurate information about Location and orientation relative to the body.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß auch ohne Eingriff in den Körper die genaue Lage und Orientierung markanter Strukturen im Körper relativ zum Körper festgestellt werden kann.It Object of the invention, a method of the generic type so that even without Intervention in the body the exact location and orientation of prominent structures in the body relative to the body can be determined.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Lage und Orientierung des Ultraschallkopfes und des Körpers im Bereich der markanten Struktur mit Hilfe von am Ultraschallkopf und am Körper festgelegten Markierelementen mittels eines Navigationssystems bestimmt, daß man auf der Anzeige eine markante Struktur auswählt, aufgrund der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes und der gemessenen Laufzeit der Ultraschallstrahlung die Lage und Orientierung der markanten Struktur relativ zum Ultraschallkopf und aus der Lage und Orientierung des Ultraschallkopfes relativ zum Körper die Lage und Orientierung der markanten Struktur relativ zum Körper bestimmt.These Task is in a method of the type described above according to the invention thereby solved, that he the position and orientation of the ultrasound head and the body in the Area of the prominent structure with the help of ultrasound head and on the body determined marking elements by means of a navigation system, that one up the display selects a distinctive structure due to the beam direction of the ultrasound head and the measured transit time of the ultrasound radiation the location and orientation of the distinctive structure relative to the ultrasound head and relative to the location and orientation of the ultrasound head to the body determines the location and orientation of the distinctive structure relative to the body.

Man verwendet also einen navigierten Ultraschallkopf und navigiert zusätzlich den Körper. Der Ultraschallkopf ermöglicht eine Aussage über die Richtung der Ultraschallstrahlung und über den Abstand der reflektierenden Fläche vom Ultraschallkopf, und diese Richtung des Ultraschallkopfes ist mit der Lage und Orientierung des Ultraschallkopfes verbunden, die über die Navigation festgestellt wird. Auf diese Weise erhält man alle notwendigen Daten, um die Lage und Orientierung der reflektierenden Fläche und damit der markanten Struktur im Körper relativ zum Körper zu bestimmen. Eine Öffnung des Körpers, wie dies bei der Verwendung von navigierten Tastern der Fall ist, ist nicht mehr notwendig, der Ultraschallkopf übernimmt die Rolle eines „virtuellen Tasters".you So uses a navigated ultrasound head and additionally navigates the Body. The ultrasound head allows a statement about the direction of the ultrasonic radiation and the distance of the reflective area from the ultrasound head, and this direction of the ultrasound head is connected to the location and orientation of the ultrasound head, over the Navigation is detected. In this way you get all necessary data to the location and orientation of the reflective Area and thus the distinctive structure in the body relative to the body too determine. An opening of the body, as is the case with the use of navigated buttons, is no longer necessary, the ultrasonic head assumes the role of a "virtual button".

Vorteilhaft ist es, wenn man einen Ultraschallkopf verwendet, der Ultraschallstrahlung über eine Vielzahl von Sende- und Empfangseinrichtungen aussendet beziehungsweise empfängt, die in einer Reihe angeordnet sind und die Ultraschallstrahlung in eine gemeinsame Ebene abstrahlen. Dadurch wird gleichzeitig eine vollständige Ebene mit Ultraschallstrahlung abgetastet, und der Operateur kann beim Ansetzen des Ultraschallkopfes an den Körper den Ultraschallkopf so ausrichten, daß die zu erfassende markante Struktur optimal auf der Anzeige abgebildet wird, also klar sichtbar ist. Dies führt automatisch auch dazu, daß der Ultraschallkopf relativ zu einer bestimmten Struktur in praktisch immer der gleichen Weise angesetzt wird, beispielsweise immer so, daß der Ultraschallkopf parallel zu einem Beckenkamm verläuft. Dies gewährleistet eine weitgehend reproduzierbare Abtastung der markanten Struktur mit der Ultraschallstrahlung.Advantageous it is, if one uses a ultrasonic head, the ultrasonic radiation over a Variety of transmitting and receiving devices emits or receives which are arranged in a row and the ultrasonic radiation radiate into a common plane. This is simultaneously a full Ultrasonically scanned plane, and the surgeon can at Attaching the ultrasound head to the body so the ultrasound head align that the The distinctive structure to be recorded is optimally displayed on the display becomes so clearly visible. This automatically leads to that the Ultrasound head in relation to a specific structure in practical always the same way is set, for example, always so that the ultrasonic head runs parallel to a iliac crest. This ensures a largely reproducible scanning of the distinctive structure with the ultrasonic radiation.

Um die auf der Anzeige dargestellte Abbildung auswerten zu können, kann der Operateur auf der Abbildung bestimmte charakteristische Punkte auswählen, beispielsweise durch Anfahren einer optischen Markierung und Speicherung der entsprechenden Positionsdaten dieser Markierung. In einigen Fällen ist dies aber nicht ohne weiteres möglich, da die dargestellten Strukturen die Auswahl eines bestimmten exakten Punktes nicht ermöglichen. Es ist dann vorteilhaft, wenn man die markante Struktur auf der Anzeige mit einer vorgegebenen geometrischen Struktur möglichst gut zur Deckung bringt und aus der Lage der vorgegebenen geometrischen Struktur auf der Anzeige Strukturdaten der markanten Struktur des Körpers bestimmt. Eine solche vorgegebene geometrische Struktur kann beispielsweise eine gerade oder eine gebogene Linie sein, insbesondere kann es sich dabei beispielsweise um einen Kreis handeln, der so an eine annähernd kreisförmige Struktur der Anzeige angepaßt wird, daß eine möglichst gute Überdeckung erfolgt, gegebenenfalls auch nur in einem bestimmten Teilbereich der vorgegebenen geometrischen Struktur.In order to be able to evaluate the image displayed on the display, the surgeon can select certain characteristic points on the image, for example by approaching an optical marking and storing the corresponding position data of this marking. In some cases, however, this is not readily possible because the illustrated structures do not allow the selection of a particular exact point. It is advantageous if you bring the striking structure on the display with a given geometric structure as well as possible to cover and determines the location of the given geometric structure on the display structural data of the distinctive structure of the body. Such a given geometric structure may for example be a straight or a curved line, in particular, it may be, for example, a circle which is adapted to an approximately circular structure of the display, that the best possible coverage occurs, possibly even in one certain subarea of the given geometric structure.

Bei Verwendung eines Kreises kann es vorteilhaft sein, wenn man als Strukturdaten der vorgegebenen geometrischen Struktur eine Kugel bestimmt mit dem Kreis der vorgegebenen Struktur als Großkreis. Diese Kugel wird zur Charakterisierung einer bestimmten markanten Struktur verwendet.at Using a circle may be advantageous if one considers Structure data of the given geometric structure a sphere determined by the circle of the given structure as a great circle. This ball is used to characterize a particular striking Structure used.

Das beschriebene Verfahren kann an verschiedenen Stellen des Körpers durchgeführt werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß man als markante Struktur die linken und rechten Beckenkämme und zusätzlich die Symphyse des Hüftknochens auswählt.The described method can be performed at various points of the body. In a particularly preferred embodiment, it is provided that he as a prominent structure the left and right iliac crests and additionally the Symphysis of the hip bone selects.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn man aus den beiden Beckenkammabbildungen und der Symphyseabbildung auf der Anzeige je einen markanten Punkt bestimmt und aus diesen drei Punkten eine für den Hüftknochen charakteristische Ebene berechnet.there It is advantageous if one from the two iliac crest illustrations and the symphyseal image on the display one striking point each determined and from these three points characteristic of the hip bone Calculated plane.

Insbesondere kann man die charakteristische Ebene dabei derart wählen, daß in ihr ein charakteristischer Punkt der Symphyse liegt, der direkt aus der Anzeige bestimmbar ist, und daß man den beiden Beckenkämmen in der oben beschriebenen Weise Kugeln zuordnet, an deren Oberfläche die charakteristische Ebene anliegt. Eine solche Ebene kann man als charakteristische Ebene des Hüftknochens bezeichnen, diese Ebene kann beispielsweise als Grundlage für die geometrische Beschreibung des Hüftknochens und die Wahl eines hüftknochenfesten Koordinatensystems dienen.Especially you can choose the characteristic level in such a way that in it a characteristic point of the symphysis lies directly out the display is determinable, and that the two pelvic ridges in assigns balls as described above, on whose surface the characteristic Level is applied. Such a level can be called a characteristic Plane of the hip bone For example, this level can be used as the basis for the geometric Description of the hip bone and the choice of a hip bone fix Serve coordinate system.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorzuschlagen.Of the Invention is also the object of a device for execution to propose this procedure.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung zur eingriffslosen Bestimmung der Lage und Orientierung markanter Strukturen im Inneren des menschlichen oder tierischen Körpers dadurch gelöst, daß sie einen Ultraschallkopf zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallstrahlung sowie eine Anzeige zur Darstellung einer der Laufzeit einer ausgesandten, an einer markanten Struktur des Körpers reflektierten Ultraschallstrahlung entsprechenden Abbildung umfaßt, daß Markierelemente für den Ultraschallkopf und den Körper vorgesehen sind, die Teil eines Navigationssystems sind, und daß eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen ist, die aus der Relativposition – und – Orientierung des Ultraschallkopfes zum Körper und der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes und der gemessenen Laufzeit der Ultraschallstrahlung die Lage und Orientierung einer auf der Anzeige dargestellten markanten Struktur relativ zum Körper bestimmt.These Task is according to the invention in a device for non-intrusive determination of the situation and Orientation of prominent structures inside the human or animal body solved by that she an ultrasonic head for emitting and receiving ultrasonic radiation as well an advertisement representing one of the terms of an emitted, Ultrasonic radiation reflected on a striking structure of the body corresponding figure includes that marking elements for the Ultrasound head and the body are provided, which are part of a navigation system, and that a data processing system is provided from the relative position - and - orientation of the ultrasound head to the body and the beam direction of the ultrasonic head and the measured Running time of the ultrasonic radiation, the location and orientation of a determined the display prominent structure relative to the body.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Ultraschallkopf die Ultraschallstrahlung über eine Vielzahl von Sende- und Empfangseinrichtungen aussendet beziehungsweise empfängt, die in eine Reihe angeordnet sind und die Ultraschallstrahlung in eine gemeinsame Ebene abstrahlen.there it is advantageous if the ultrasonic head, the ultrasonic radiation over a Variety of transmitting and receiving devices emits or receives which are arranged in a row and the ultrasonic radiation in radiate a common plane.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments of the invention used in conjunction with the drawings for further explanation. Show it:

1: eine schematische Ansicht eines navigierten mechanischen Tasters zur Abtastung markanter Strukturen im Körper entsprechend dem Stand der Technik; 1 a schematic view of a navigated mechanical probe for scanning distinctive structures in the body according to the prior art;

2: eine schematische Ansicht eines navigierten Ultraschallkopfes in Anlage an einem Beckenkamm des Hüftknochens mit zugehöriger Darstellung der vom Ultraschallkopf gelieferten Abbildung auf einer Anzeige; 2 a schematic view of a navigated ultrasound head in abutment against a hip bone of the hip bone with associated representation of the image supplied by the ultrasound head on a display;

3: eine Ansicht ähnlich 2 mit dem Ultraschallkopf in Anlage am anderen Beckenkamm; 3 : a view similar 2 with the ultrasound head in contact with the other iliac crest;

4: eine Ansicht ähnlich 2 mit dem Ultraschallkopf in Anlage an das Symphyse des Hüftknochens; 4 : a view similar 2 with the ultrasound head in abutment with the symphysis of the hipbone;

5: eine schematische Darstellung zur Auswertung der Abbildungen der 2 bis 4 und zur Bestimmung einer für den Hüftknochen charakteristischen Ebene; 5 : a schematic representation for the evaluation of the pictures of the 2 to 4 and for determining a level characteristic of the hip bone;

6: eine Ansicht ähnlich 2 mit der Anlage des Ultraschallkopfes an einem Oberschenkelknochen und 6 : a view similar 2 with the attachment of the ultrasound head to a femur and

7: eine Ansicht ähnlich 2 mit einem an das Fußgelenk angelegten Ultraschallkopf. 7 : a view similar 2 with an ultrasound head attached to the ankle.

In 1 ist eine herkömmliche Vorrichtung zur mechanischen Abtastung einer markanten Struktur des Körpers dargestellt. Diese Einreichung umfaßt einen mechanischen Taster 1, an dem ein Markierelement 2 eines herkömmlichen Navigationssystems 3 festgelegt ist, dieses Navigationssystem 3 umfaßt mehrere Sende- und Empfangseinheiten 4, die elektromagnetische Strahlung aussenden, die an Reflektoren 5 des Markierelementes 2 reflektiert und von den Sende- und Empfangseinheiten 4 wieder aufgefangen wird. Aus diesen Signalen kann das Navigationssystem 3 in an sich bekannter Weise die genaue Lage und Orientierung des Markierelementes 2 und damit des Tasters 1 im Raum feststellen. Die entsprechenden Positionsdaten werden einer Datenverarbeitungsanlage 6 zugeführt.In 1 a conventional apparatus for mechanically scanning a distinctive structure of the body is shown. This submission includes a mechanical button 1 at which a marking element 2 a conventional navigation system 3 is fixed, this navigation system 3 includes several transmitting and receiving units 4 that emit electromagnetic radiation that is reflected by reflectors 5 of the marking element 2 reflected and from the transmitting and receiving units 4 is caught again. From these signals, the navigation system 3 in a conventional manner, the exact location and orientation of the marking 2 and thus the button 1 in the room. The corresponding position data is a data processing system 6 fed.

Ein weiteres Markierelement 7, das gleich aufgebaut ist wie das Markierelement 2, ist an einem Teil des Körpers 8 befestigt, dessen markante Struktur bestimmt werden soll. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Markierelement 7 an einem Hüftknochen 9 festgelegt, beispielsweise mittels einer in den Hüftknochen 9 eingeschraubten Knochenschraube. Derartige Markierelemente werden zu Operationen üblicherweise verwendet und dienen dann der Bestimmung der Lage und Orientierung des entsprechenden Körperteils während einer Operation.Another marking element 7 , which is the same structure as the marking element 2 , is on a part of the body 8th fastened, whose distinctive structure is to be determined. In the illustrated embodiment, the marking element 7 on a hipbone 9 determined, for example by means of a hip bone 9 screwed bone screw. Such marking elements are commonly used for operations and then serve to determine the position and orientation of the corresponding body part during an operation.

Es ist aber auch ohne weiteres möglich, derartige Markierelemente am ungeöffneten Körper anzuordnen, beispielsweise mit Hilfe von Haltern, die an der Außenseite des Körpers durch die Weichgewebeteile hindurch festgelegt werden, eine solche Festlegung kann über Bänder erfolgen etc.It is also possible without further ado, to arrange such markers on the unopened body, for example with the help of retainers that go to the outside of the body the soft tissue parts are set through, such a determination can over bands done etc.

Das Navigationssystem 3 kann auf diese Weise sowohl Lage und Orientierung des Tasters 1 als auch Lage und Orientierung des Körperteils bestimmen, an dem eine Struktur lokalisiert werden soll. Diese Lokalisierung erfolgt bei der in 1 beschriebenen Vorrichtung, die dem bekannten Stand der Technik entspricht, dadurch, daß die Spitze des Tasters 1 an die entsprechende Struktur angelegt wird, dazu muß der Körper geöffnet sein, die entsprechende Struktur muß freigelegt werden.The navigation system 3 can in this way both location and orientation of the button 1 as well as determine the position and orientation of the body part at which a structure is to be located. This localization occurs at the in 1 described device, which corresponds to the known prior art, characterized in that the tip of the probe 1 is applied to the appropriate structure, this must be the body open, the corresponding structure must be exposed.

Um dies zu vermeiden, wird bei einem Verfahren, wie es nachstehend anhand der 2 bis 7 erläutert wird, statt eines mechanischen Tasters ein Ultraschallkopf 10 verwendet, der an sich zur Untersuchung körperinnerer Strukturen bekannt ist und der mittels einer Anlagefläche 11 an der Außenseite des Körpers anlegbar ist. Ein solcher Ultraschallkopf 10 strahlt beispielsweise über mehrere Sende- und Empfangseinheiten, die in einer Reihe angeordnet sind, Ultraschallstrahlung in eine allen Sende- und Empfangseinheiten gemeinsame Ebene ab und empfängt an inneren Körperstrukturen reflektierte Ultraschallstrahlung, die in dieser Ebene zurückgeworfen wird. Aus der Laufzeit zwischen Aussenden und Empfangen der Strahlung läßt sich der Abstand der reflektierenden Fläche an der inneren Struktur des Körpers zum Ultraschallkopf 10 bestimmen, und diese Daten werden der Datenverarbeitungsanlage 6 zugeführt.To avoid this, in a procedure as described below on the basis of 2 to 7 is explained, instead of a mechanical probe an ultrasonic head 10 used, which is known per se for examining body-internal structures and by means of a contact surface 11 can be applied to the outside of the body. Such an ultrasound head 10 radiates, for example, via a plurality of transmitting and receiving units, which are arranged in a row, ultrasonic radiation in a common to all transmitting and receiving units level and receives at internal body structures reflected ultrasonic radiation, which is reflected in this plane. From the transit time between emission and receiving the radiation, the distance of the reflective surface on the internal structure of the body to the ultrasound head can be 10 determine, and this data will be the data processing system 6 fed.

Am Ultraschallkopf 10 ist das Markierelement 2 befestigt, so daß die Lage des Ultraschallkopfes und dessen Orientierung durch das Navigationssystem 3 bestimmt werden.At the ultrasound head 10 is the marking element 2 attached so that the location of the ultrasound head and its orientation by the navigation system 3 be determined.

Das vom Ultraschallkopf 10 erzeugte Muster wird auf einem Bildschirm 12 dargestellt, so daß der Operateur am Bildschirm 12 das Reliefmuster der Ultraschallstrahlung, also der Laufzeitmessungen der Ultraschallstrahlung, ablesen kann. Dieses Muster zeigt bestimmte Strukturen, die sich aus der Struktur der die Ultraschallstrahlung reflektierenden Fläche ergeben, also beispielsweise einer Knochenoberfläche.The ultrasound head 10 generated pattern is displayed on a screen 12 shown so that the surgeon on the screen 12 the relief pattern of the ultrasonic radiation, so the transit time measurements of the ultrasonic radiation can read. This pattern shows certain structures which result from the structure of the surface reflecting the ultrasonic radiation, for example a bone surface.

Am Beispiel eines Hüftknochens 9 wird anhand der 2 bis 4 erörtert, wie auf diese Weise bestimmte Strukturen des Hüftknochens bestimmt werden können und wie diese Strukturen zur Charakterisierung des Hüftknochens Verwendung finden können.The example of a hip bone 9 is determined by the 2 to 4 discusses how certain structures of the hipbone can be determined in this way and how these structures can be used to characterize the hipbone.

Der Ultraschallkopf 10 wird zunächst an einer Seite des Hüftknochens 9 so auf den Körper 8 aufgesetzt, daß er im wesentlichen mit dem Beckenkamm 14 ausgerichtet ist. Die genaue Ausrichtung kann der Operateur anhand der Anzeige auf dem Bildschirm 12 vornehmen, da sich bei exakter Ausrichtung zum Beckenkamm 14 eine besonders scharfe und deutlich erkennbare Struktur ergibt, dadurch läßt sich der Ultraschallkopf weitgehend reproduzierbar an Hüftknochen 9 unterschiedlicher Patienten anlegen.The ultrasound head 10 is first on one side of the hip bone 9 so on the body 8th put on that he essentially with the iliac crest 14 is aligned. The operator can determine the exact alignment by means of the display on the screen 12 make, as with exact alignment to the iliac crest 14 gives a particularly sharp and clearly visible structure, thereby the ultrasound head can be largely reproduced on hip bone 9 create different patients.

Dabei ergibt sich eine für diesen Beckenkamm 14 des Hüftknochens 9 charakteristische Abbildung auf dem Bildschirm 12, bei dieser Abbildung sind bogenförmige Bereiche 15 deutlich erkennbar.This results in one for this iliac crest 14 of the hip bone 9 characteristic picture on the screen 12 , in this illustration are arcuate areas 15 clearly.

In gleicher Weise wird am gegenüberliegenden Beckenkamm 16 vorgegangen. Man erhält dabei eine im wesentlichen gleiche Darstellung am Bildschirm 12 mit bogenförmigen Bereichen 17.In the same way is on the opposite iliac crest 16 proceed. This gives a substantially same representation on the screen 12 with arcuate areas 17 ,

In einem dritten Schritt wird der Ultraschallkopf in der Mitte des Hüftknochens 9 an dessen unterem Ende im Bereich der Symphyse 18 angelegt, dabei erhält man auf dem Bildschirm 12 eine deutliche nach unten weisende Spitze 19, welche die Symphysenstruktur widerspiegelt.In a third step, the ultrasound head is in the middle of the hipbone 9 at its lower end in the area of the symphysis 18 created, while you get on the screen 12 a distinct down-facing tip 19 which reflects the symphyseal structure.

Um aus den abgebildeten Strukturen die notwendigen Positions- und Orientierungsdaten zu erhalten, können auf dem Bildschirm 12 Symbole mit vorgegebener geometrischer Struktur dargestellt und verschoben werden, beispielsweise Kreise 20, 21 (2 und 3) und Punkte 22 (4). Diese Symbole kann der Operateur so auf dem Bildschirm 12 verschieben, daß mit den dargestellten Ultraschallbildern eine bewußte Koordinierung erfolgt, beispielsweise können die Kreise 20 und 21 optimal an die bogenförmigen Bereiche 15 beziehungsweise 17 angelegt werden, der Punkt 22 kann auf die Spitze 19 aufgelegt werden. Damit lassen sich geometrische Datensätze bestimmen, die der Datenverarbeitungsanlage 6 zugeführt werden und die jeweils charakteristisch sind für die mit dem Ultraschallkopf bestrahlten Körperbereiche und markanten Strukturen.In order to obtain the necessary position and orientation data from the depicted structures, you can look at the screen 12 Symbols with a given geometric structure are displayed and moved, for example, circles 20 . 21 ( 2 and 3 ) and points 22 ( 4 ). These icons allow the surgeon to do so on the screen 12 move, that with the ultrasound images shown a conscious coordination takes place, for example, the circles 20 and 21 optimally to the arcuate areas 15 respectively 17 be created, the point 22 can be on the top 19 be hung up. This allows geometric data sets to be determined, that of the data processing system 6 are supplied and which are each characteristic of the irradiated with the ultrasound head body areas and distinctive structures.

Die Datenverarbeitungsanlage legt durch die beiden Kreise 20, 21 eine Kugel, die denselben Mittelpunkt und denselben Radius aufweist wie die Kreise, so daß die Kreise Großkreise bilden. Dann berechnet die Datenverarbeitungsanlage aus der Lage des Punktes 22 einerseits und den auf diese Weise bestimmten Kugeln andererseits eine Ebene, in der der Punkt 22 liegt und die sich tangential an die beiden Kugeln anlegt (5). In dieser Ebene liegt ein Punkt jedes Beckenkammes 14, da die Kreise 20, 21 an die bogenförmigen Bereiche 15, 17 des Beckenkammes angelegt waren, so daß dies auch für die Kugel zutrifft. Es wird also eine Ebene bestimmt, die je einen Punkt jedes Beckenkammes und den an der Symphyse bestimmten Punkt enthält, eine solche Ebene ist eine charakteristische Ebene für die Lage und Orientierung des Hüftknochens, und diese Ebene kann verwendet werden, um in einem weiteren Operationsverlauf ein hüftknocheneigenes Koordinatensystem zu bestimmen und relativ zum Hüftknochen notwendige Positionierungen von Implantaten, Bearbeitungswerkzeugen etc. vorzunehmen.The data processing system lays by the two circles 20 . 21 a sphere having the same center and radius as the circles, so that the circles form large circles. Then the data processing system calculates from the location of the point 22 on the one hand and the balls thus determined on the other hand, a plane in which the point 22 lies tangent to the two balls ( 5 ). In this level is a point of each iliac crest 14 because the circles 20 . 21 to the arcuate areas 15 . 17 of the iliac crest were created so that this also applies to the ball. Thus, a plane is determined, each containing a point of each iliac crest and the point determined at the symphysis, such a plane is a characteristic plane for the position and orientation of the hip bone, and this plane can be used to enter a further course of surgery To determine hip bone own coordinate system and relative to the hip bone necessary positioning of implants, editing tools, etc. make.

Vorstehend ist die berührungslose Bestimmung charakteristischer Körperstrukturen am Beispiel des Hüftknochens erörtert worden, in ähnlicher Weise lassen sich markante Strukturen an anderen Körperstellen auffinden, beispielsweise am hüftsgelenksseitigen Ende eines Femurknochens 23 (6), an den der Ultraschallkopf 10 in charakteristischer Weise angelegt wird, oder am knöchelseitigen Ende eines Tibiaknochens 24 (7). Diese Darstellungen sind lediglich als Anwendungsbeispiele zu sehen. Es versteht sich, daß der Ultraschallkopf 10 an der Körperaußenseite angelegt wird, eine Eröffnung des Körpers also nicht notwendig ist, um die körperinneren Strukturen abzutasten.Above, the non-contact determination of characteristic body structures has been discussed using the example of the hip bone, similarly striking structures can be found at other parts of the body, for example at the hip joint end of a femur bone 23 ( 6 ), to which the ultrasound head 10 in a characteristic manner, or at the ankle-side end of a tibial bone 24 ( 7 ). These representations are only to be seen as application examples. It is understood that the ultrasound head 10 is applied on the outside of the body, an opening of the body is therefore not necessary to scan the body-internal structures.

Claims (10)

Verfahren zur eingriffslosen Bestimmung der Lage und Orientierung markanter Strukturen im Inneren eines menschlichen oder tierischen Körpers, bei dem man den Körper im Bereich der markanten Strukturen mittels eines Ultraschall aussendenden und Ultraschall empfangenden Ultraschallkopfes mit Ultraschallstrahlung bestrahlt, die an der markanten Struktur reflektierte Ultraschallstrahlung empfängt und eine der Laufzeit der reflektierten Strahlung entsprechende Abbildung auf einer Anzeige darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage und Orientierung des Ultraschallkopfes und des Körpers im Bereich der markanten Struktur mit Hilfe von am Ultraschallkopf und am Körper festgelegten Markierelementen mittels eines Navigationssystems bestimmt, daß man auf der Anzeige eine markante Struktur auswählt, aufgrund der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes und der gemessenen Laufzeit der Ultraschallstrahlung die Lage und Orientierung der markanten Struktur relativ zum Ultraschallkopf und aus der Lage und Orientierung des Ultraschallkopfes relativ zum Körper die Lage und Orientierung der markanten Struktur relativ zum Körper bestimmt.Method for the non-invasive determination of the position and orientation of prominent structures in the interior of a human or animal body, in which the body is irradiated with ultrasound radiation in the region of the prominent structures by means of an ultrasound emitting and ultrasound-receiving ultrasound head, which receives ultrasound radiation reflected at the distinctive structure and an ultrasound representing the duration of the reflected radiation corresponding image on a display, characterized in that one determines the position and orientation of the ultrasound head and the body in the region of the prominent structure by means of defined at the ultrasound head and on the body marker elements by means of a navigation system that on the Display selects a distinctive structure, due to the beam direction of the ultrasound head and the measured transit time of the ultrasonic radiation, the position and orientation of the distinctive structure relative to the ultrasound head and a The position and orientation of the ultrasound head relative to the body determines the position and orientation of the distinctive structure relative to the body. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Ultraschallkopf verwendet, der Ultraschallstrahlung über eine Vielzahl von Sende- und Empfangseinrichtungen aussendet beziehungsweise empfängt, die in einer Reihe angeordnet sind und die Ultraschall strahlung in eine gemeinsame Ebene abstrahlen.Method according to claim 1, characterized in that that he used an ultrasonic head, the ultrasonic radiation over a Variety of transmitting and receiving devices emits or receives which are arranged in a row and the ultrasound radiation radiate into a common plane. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die markante Struktur auf der Anzeige mit einer vorgegebenen geometrischen Struktur möglichst gut zur Dekkung bringt und aus der Lage der vorgegebenen geometrischen Struktur auf der Anzeige Strukturdaten der markanten Struktur des Körpers bestimmt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the distinctive structure on the display with a given geometric Structure as possible good for disguise and out of the position of the given geometric Structure on the display Structural data of the distinctive structure of the body certainly. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene geometrische Struktur ein Kreis ist.Method according to claim 3, characterized that the given geometric structure is a circle. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Strukturdaten der vorgegebenen geometrischen Struktur eine Kugel bestimmt mit dem Kreis der vorgegebenen Struktur als Großkreis.Method according to claim 4, characterized in that that he as structural data of the given geometric structure a sphere determined by the circle of the given structure as a great circle. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als markante Strukturen die linken und rechten Beckenkämme und zusätzlich die Symphyse eines Hüftknochens auswählt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that as prominent structures the left and right iliac crests and additionally select the symphysis of a hipbone. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man aus beiden Beckenkamm-Abbildungen und der Symphyse-Abbildung auf der Anzeige je einen markanten Punkt bestimmt und aus diesen drei Punkten eine für den Hüftknochen charakteristische Ebene berechnet.Method according to Claim 6, characterized that he from both iliac crest illustrations and the symphysis picture the ad determines a distinctive point and from these three Score one for the hipbone characteristic level calculated. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die charakteristische Ebene derart wählt, daß in ihr ein charakteristischer Punkt der Symphyse liegt und daß man den beiden Beckenkämmen Kugeln zuordnet, an deren Oberfläche die charakteristische Ebene anliegt.Process according to Claims 5 and 7, characterized that he the characteristic plane chooses in such a way that in it a characteristic Point of the symphysis lies and that one the two pelvic crests Assigning balls to their surface the characteristic plane is present. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ultraschallkopf (10) zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallstrahlung sowie eine Anzeige (12) zur Darstellung einer der Laufzeit einer ausgesandten, an einer markanten Struktur (14, 16, 18) des Körpers (8) reflektierten Ultraschallstrahlung entsprechenden Abbildung umfaßt, daß Markierelemente (2, 7) für den Ultraschallkopf (10) und den Körper (8) vorgesehen sind, die Teil eines Navigationssystems (3) sind, und daß eine Datenverarbeitungsanlage (6) vorgesehen ist, die aus der Relativposition und der Relativorientierung des Ultraschallkopfes (10) zum Körper (8) und der Strahlrichtung des Ultraschallkopfes (10) und der gemessenen Laufzeit der Ultraschallstrahlung die Lage und Orientierung einer auf der Anzeige (12) dargestellten markanten Struktur (14, 16, 18) relativ zum Körper bestimmt.Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises an ultrasound head ( 10 ) for the transmission and reception of ultrasound radiation and an indicator ( 12 ) representing one of the terms of an emitted, on a distinctive structure ( 14 . 16 . 18 ) of the body ( 8th ) reflected ultrasound radiation corresponding image comprises marking elements ( 2 . 7 ) for the ultrasound head ( 10 ) and the body ( 8th ) are part of a navigation system ( 3 ) and that a data processing system ( 6 ) is provided, which from the relative position and the relative orientation of the ultrasound head ( 10 ) to the body ( 8th ) and the beam direction of the ultrasound head ( 10 ) and the measured transit time of the ultrasonic radiation, the position and orientation of one on the display ( 12 ) marked structure ( 14 . 16 . 18 ) relative to the body. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallkopf (10) über eine Vielzahl von Sende- und Empfangseinrichtungen Ultraschallstrahlung aussendet beziehungsweise empfängt, die in einer Reihe angeordnet sind und die Ultraschallstrahlung in eine gemeinsame Ebene abstrahlen.Device according to claim 9, characterized in that the ultrasound head ( 10 ) emits or receives ultrasonic radiation via a plurality of transmitting and receiving devices, which are arranged in a row and emit the ultrasonic radiation in a common plane.
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